Какая связь между электрическим полем и батареей?

Хорошо, я начну свой вопрос с предыстории: (Поправьте меня, если я ошибаюсь, но не будьте придирчивы).

  • Оставим электромагнетизм в стороне для этого обсуждения — электрическое поле — это некоторое пространство, в котором электрический заряд будет испытывать силу.
  • То, что генерирует электрическое поле, — это электрический заряд. Электрический заряд — это свойство материи, и он может быть как положительным, так и отрицательным.
  • Когда какой-либо заряженный материал помещается в электрическое поле, он испытывает силу, отталкивающую или притягивающую его, в зависимости от направления поля и типа заряда.

Теперь поговорим о напряжении — разности электрических потенциалов. Каждое видео или статья, которые я смотрел или читал об этом, объясняли концепцию разности электрических потенциалов , используя аналогию с гравитационной разностью потенциалов следующим образом:

Гравитационная потенциальная энергия (PEg) — это потенциальная энергия, хранящаяся в объекте по отношению к какой-либо другой точке, расположенной ниже той, где он находится в данный момент. Это м * г * час где h — дельта между двумя точками.
Гравитационный потенциал (Pg) является свойством положения: это PEg (в джоулях) на кг массы. Таким образом, каждый килограмм, который вы поместите в этот момент, будет содержать это количество джоулей. В конце концов, когда мы говорим о потенциале позиции, нас действительно волнует потенциальная разница между этой позицией и какой-то другой позицией.

Теперь давайте посмотрим, как это перевести на электричество:
в электричестве, как и в гравитации, у нас есть поле, воздействующее на объекты. На этот раз мы говорим о зарядах , а не о массе. Электрическая потенциальная энергия (PEe) — это количество энергии (Джоули), которым обладает определенное количество заряда, помещенное в заданное положение в поле. Но опять же: это количество энергии имеет значение только по сравнению с какой-то другой позицией. Я имею в виду - PEe - это то, сколько работы необходимо, чтобы перенести этот заряд из какого-то другого положения в это положение, и, следовательно, сколько энергии он сохраняет, когда находится в этом положении. То же, что и с гравитацией. Потенциал (Pe) является свойством положения в поле и определяет, сколько PEe будет удерживать один кулон заряда в этом положении.

Пока все хорошо, но есть 2 основные вещи, которые я не совсем понимаю во всем этом:

  1. Когда мы говорим о гравитации - мы говорим об одной системе. Это правда, что потенциал должности важен только по сравнению с другой позицией. Но, в конце концов, все положения в мире можно отнести к одному положению — пусть это будет центр земли или уровень моря. Как это относится к электрическим полям?

  2. Я не совсем понимаю, как эта модель применяется, например, в батарее 9V. Все видео, которые я смотрел, показывают, как этот большой Q плывет где-то в космосе, а затем говорят о маленьком Q, толкаемом к большому Q.

введите описание изображения здесь

как эта модель помещается в батарею (или любой другой источник питания постоянного тока)? Что является источником электрического поля? И, насколько я понимаю, напряжение — это просто разница электрических потенциалов между двумя точками. Итак, если мы возьмем каждые две точки поля, мы сможем рассчитать напряжение между ними. Но если мы не будем размещать там никаких зарядов, то не будет никакого тока. Но с батареями мы говорим, что простое наличие напряжения означает, что будет течь ток, если мы замкнем цепь.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Я попытаюсь прояснить вопрос: когда мы говорим о гравитационной потенциальной энергии, каждая точка, которую мы выбираем, имеет некоторую высоту. Мы всегда можем взять 2 пункта (давайте опустим космос в этом обсуждении) и указать разницу между ними. Мой вопрос: то же самое с электричеством? Есть ли какая-то точка отсчета, с которой мы все могли бы согласиться, измерить каждые две позиции в мире и определить разницу между ними?

Отвечает ли это на ваш вопрос? О направлении электрического поля в батарее
Кажется, вы предполагаете, что в случае гравитации существует общепринятое исходное положение: центр Земли. Это не правда. Я могу взять центр Земли, если это удобно, например, теория гравитации Ньютона. Но если я бросаю мячи, я могу считать нулем поверхность стола, пол или землю. То же самое относится и к цепи. Я ставлю ноль потенциала (называемый землей ) в любом удобном месте. Отрицательная клемма аккумулятора, точка внизу моей схемы или земля. :-)
Нет, я говорю, что как только вы договорились об эталонном месте, все остальные места могут относиться к нему. И я не понимаю, есть ли такое место отсчета в электрическом потенциале. Есть ли место, о котором мы можем сказать: это 0 потенциал, и ВСЕ другие места ВЕЗДЕ будут иметь отношение к этому?

Ответы (3)

все положения в мире можно отнести к одному положению - пусть это будет центр земли или уровень моря. Как это относится к электрическим полям?

Точка отсчета выбрана произвольно, да. Но это не обязательно должен быть уровень моря (не в последнюю очередь потому, что уровень моря постоянен только локально, а не когда вы рассматриваете земной шар) и это не обязательно должен быть центр Земли (вы можете выбрать нижний выступ в качестве нулевой точки отсчета). так что горшок на более высокой полке связан с гравитационной потенциальной энергией).

В астрофизике в целом вы бы не основывали свою нулевую точку отсчета на Земле. Скорее, вы определяете нулевую потенциальную энергию как бесконечно далекую точку. Потенциальная энергия, связанная с объектом на Земле, при таком выборе точки отсчета отрицательна . И увеличивается (становится менее отрицательным) с расстоянием над землей. Но опять же, значение не важно - важна только разница.

В электрике эталоном нуля часто выбирается либо полюс батареи/источника напряжения, либо просто земля (Земля). Но и здесь выбор произволен и имеет значение только разница между баллами, о чем вы тоже упоминаете.

Обратите внимание, что гравитационная и электрическая потенциальная энергия очень сопоставимы, даже в их обратной пропорциональности расстоянию:

U г "=" г м М р U е "=" к д Вопрос р .

Что является источником электрического поля?

Источником любого электрического поля является накопление зарядов. При работе с батареей обычно внутренние химические действия перемещают заряды к одному выводу и накапливают их там до тех пор, пока накопленное электрическое поле не нейтрализует химические силы.

Химический процесс может происходить посредством разделения зарядов, когда электроны отделяются от молекул — эти молекулы, в свою очередь, могут двигаться через жидкость электролита в виде ионов, тогда как электроны не могут. Вместо этого электронам придется двигаться по внешней цепи. На другой терминал, когда прибыли и ион, и электрон, они могут рекомбинировать.

Причина существования электрического поля, о которой вы спрашиваете, связана как с электронами, накопленными на терминале, вызывающими большие силы электрического отталкивания, выталкивающими электроны во внешнюю цепь, так и с отсутствием электронов (относительный положительный заряд) на другом терминале вызывают большую силу притяжения.

Если вы не присоедините никакой внешней цепи, то электроны не смогут двигаться и должны будут оставаться на начальном выводе.

"Или просто как земля" - вы имеете в виду земную землю? Или что мы называем один из полюсов землей?
@YoavKlein Да, под словом «земля» обычно всегда подразумевается физическая Земля. Для большинства практических целей это считается поглотителем заряда без дна.
Другой вопрос: вы говорите, что накопление зарядов создает электрическое поле. Так почему же мы не можем сказать, что область пространства без электрического поля считается нулевой потенциальной энергией? Возьмем, к примеру, какой-нибудь предмет — яблоко. Есть ли накопление зарядов?
@YoavKlein « почему мы не можем сказать, что область в космосе без электрического поля считается нулевой потенциальной энергией? » Почему мы говорим, что мы не можем этого сказать? Вы вольны выбрать нулевую точку, так что мы действительно можем это сказать. На самом деле, обычно в качестве нулевой точки отсчета выбирается точка, бесконечно удаленная от источника, которая действительно соответствует точке отсутствия электрического поля (электрическое поле уменьшается по величине с расстоянием). При этом не имеет значения, накапливает ли яблоко заряды.
разве центр земли не точка с нулевым потенциалом?
@YoavKlein Если у вас есть куча зарядов в объекте на поверхности Земли, то электрическое поле, создаваемое этим зарядом, распространяется далеко. Центр Земли находится далеко от этого заряда, поэтому создаваемое им электрическое поле может быть пренебрежимо малым. Но, скажем, Луна еще дальше — так что какое бы поле там ни было, оно ниже, чем в центре Земли, хотя разница может быть незначительной. Истинная точка нулевого поля находится, когда мы теоретически бесконечно далеко от источника.
я имел в виду 0 гравитационный потенциал
@YoavKlein Гравитационное притяжение самой Земли уравновешивается, когда вы находитесь в центре, да. Тем не менее, вы чувствуете гравитационную силу Солнца, Луны и т. д. Таким образом, относительно этих ссылок в центре Земли есть некоторая гравитационная потенциальная энергия. Но опять же, назовете ли вы гравитационный потенциал в центре Земли нулем , это произвольный выбор. Если вы назовете его нулем, что нормально, то оно станет отрицательным, когда вы, например, приблизитесь к Солнцу.
Итак, если я правильно понял, вы говорите, что каждая точка мира находится под влиянием любого электрического поля, просто с пренебрежимо малым эффектом? Точно так же, как центр Земли находится под влиянием гравитационного поля Луны?
@YoavKlein Теоретически да. Прямо сейчас вас притягивает гравитационное поле Юпитора. Но это незначительно. Поля вообще простираются бесконечно. Но их напряженность поля асимптотически уменьшается до нуля, поэтому в какой-то момент их можно считать пренебрежимо малой.
вот почему мы рассматриваем бесконечность как точку нулевого потенциала..?
@YoavKlein Думаю, да.

Если мы хотим сохранить аналогию с гравитацией, аккумулятор можно сравнить с водопроводной системой в здании, где вода от компании-поставщика перекачивается в водяную камеру на крыше.

Вода там обладает потенциальной энергией (а на верхних этажах могут быть проблемы с низким давлением, потому что там разница потенциалов невелика).

Как только вода используется в квартирах, насос автоматически включается, поддерживая постоянный уровень воды в резервуаре. Это ключевая часть: в батарее химическая реакция поддерживает постоянное напряжение, в то время как ток циркулирует по цепи.

Выбор нулевой точки в электрическом потенциале произволен, как и в гравитационном потенциале. Практическим примером этого является земля. Когда вы проектируете схему, вы рассчитываете все напряжения относительно земли (будь то заземление сети или какое-либо другое заземление), но нет причин, по которым вы не могли бы сделать положительную сторону вашего резистора (или где-либо еще) нулевой точкой. Он просто смещает все на некоторое смещение, и, как вы упомянули, единственное, что имеет значение, — это разность потенциалов между двумя точками. Таким образом, выбор нулевой точки не имеет значения (хотя обычно вы делаете выбор, чтобы упростить свои расчеты).

Не уверен, что вы знаете о окислительно-восстановительной химии, но в основном, если мы рассмотрим только одну клетку, одна половина клетки спонтанно высвобождает электроны, а другая поглощает электроны. Этот избыток свободных электронов/потребность в свободных электронах создает разницу потенциалов между ними, и когда вы соединяете медную проволоку, электроны будут течь от одного электрода к другому. Чтобы ответить на ваш вопрос, избыточные электроны являются источником электрического поля.

обе клеммы аккумулятора нейтральны, дисбаланса заряда нет. нейтральность поддерживается за счет двух разных процессов: 1) движение электрона от анода к катоду 2) диффузия ионов внутри батареи для компенсации изменения заряда с шага 1
Спасибо @lamplamp, мой первоначальный ответ был туманным; это не совсем правильно, что есть дисбаланс заряда. Я отредактировал его.
Какая связь между электрическим полем и батареей?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v